从含水小室收集水的方法和系统的制作方法

从含水小室收集水的方法和系统的制作方法
【专利摘要】提供了收集、纯化和/或提取由水生植物在厌氧代谢期间产生的乙醇的方法和系统。该系统包括含水小室和水生植物、与小室流体连通以用于从水中移除乙醇的乙醇提取组件。通过启动所述植物中的厌氧过程，如通过调节到达该水生植物的光合作用诱导光，使水生植物释放乙醇。
【专利说明】从含水小室收集水的方法和系统
发明领域
[0001]本公开涉及用于种植水生植物的小室和用于从该小室收集水的方法和系统。可从所收集的水中移除各种水生植物副产物，包括乙醇。
发明背景
[0002]目前的乙醇生产方法主要依赖于直接将生物质来源转化为乙醇。在基于谷物的乙醇生产中，例如，将诸如玉米的谷物经机械、热和/或化学处理，并将提取自所处理谷物的级分放入含有微生物的发酵罐中。然后将发酵的提取物蒸馏。
[0003]常规乙醇生产的缺点包括高的原料(即，谷物)消耗、副产物生产以及水和能量消耗。因此，已在寻找常规乙醇生产的替代性方法。
[0004]发明概述
[0005]一个实施方案为包含水、基质、至少一种水生植物、进水口和出水口的小室。至少一个进水口和出水口位于所述小室内，其处于或低于所述基质的深度，且其他进水口和出水口位于所述小室内，其处于或高于所述基质的深度。通过所述出口从所述小室移除的水在被移除前流经或被抽吸而流过所述基质。
[0006]另一个实施方案为包含水的小室，所述水具有处于第一水温的上层和处于第二温度的下层，其中所述第二温度低于所述第一温度。所述小室还包含至少一种水生植物、位于所述下层深度处的进水口，以及处于或低于所述较低温度层的基质。所述基质可包含土壤层上层和含有至少一种颗粒物质的下层。
[0007]又一个实施方案为从包含水的含水小室中收集水的方法，所述小室包含水、颗粒基质和至少一种水生植物，所述水生植物具有至少一个位于所述基质中的根部。抽吸水使其流过所述基质进入处于或低于所述基质的出水口，所述出水口与水收集组件连通。
[0008]因而，已经相当宽泛地概述了本公开较为重要的特征，以便随后的其详细描述能被更好地理解，并使本公开对本领域的贡献能被更好地理解。下文还有对本公开的其他特征的描述，并且其将形成本文所附权利要求的主题。
[0009]本公开的目的以及作为本公开特征的各种新颖特征，在所附权利要求中被特别指出，并形成了本公开的一部分。
【专利附图】

【附图说明】
[0010]当考虑随后的其详细说明时，将更好地理解本公开，并且除上文所示的那些外的其他目的会变得明显。这样的描述参考所附的附图，其中:
[0011]图1为根据本公开的实施方案的、用于种植水生植物的系统的示意图。 [0012]图2为根据本公开的实施方案中的、用于种植水生植物的基质的横切面图。
[0013]图3为根据本公开的实施方案中的、用于种植水生植物的基质的横切面图。
[0014]图4为根据本公开的实施方案的、用于种植水生植物的系统的示意图。
[0015]图5为根据本公开的实施方案的、用于从水生植物分离乙醇的系统的示意图。[0016]图6所示为根据本公开的实施方案的、获得由水生植物产生的乙醇的方法。
[0017]发明详述
[0018]图1为含水小室10的示意图，其包含水12、放置的通常低于水、靠近小室10底部的基质14，和一种或多种水生植物16。
[0019]小室10的规格可取决于引入至小室的水生植物的大小和类型和数量、水深和基质高度。每个小室的深度范围可为:约1cm至约20m(例如，1cm至100cm、50cm至lm、10cm 至 lm、500cm 至 3m、Im 至 5m、4m 至 10m、5m 至 7m、5m 至 1m,或 1m 至 20m)。
[0020]可利用多种水深。已发现在存在其他环境因素如深处的非典型高水温的情况下，一些植物可以在明显更深的深度中生长。例如，已经表明蓖齿眼子菜(Stuckeniapectinata)生长在大于20m的水深处,该处热通孔(thermal vents)提供至少比在北美湖泊的此深度处通常发现的更热的水。在其他实施方案中，可利用明显更小的水深。
[0021]小室的宽度和长度对系统并不关键。应理解，小室的宽度和长度不必相等，并且能够被调节以容纳用于系统的植物的数量和类型，并且能够进一步取决于小室的外形、可用的土地面积、原材料的取得和成本控制。当小室规格设计为存放单株植物时，在系统中包含多于一个小室可能是有利的。
[0022]小室10中包含的水12可采用例如，热交换器或小室内加热器进行温控。用于小室的热还可隔离自附近乙醇处理厂排出的废热或其他任何方便的废热源。也可以在方便的情况下利用其他热源，如地热和太阳热。在一个实施方案中，可以利用废水处理厂或电力设施排放的水，以调节温度并为水生植物提供额外的营养素。另外，在特别热的气候中，可能需要冷却小室以防止温度在其他情况下损伤植物。根据利用的各种水生植物，可以选择温度范围以优化植物生长和乙醇生产。应当理解，尽管生长和生产乙醇的总温度范围落入宽得多的范围内，但为了最佳生长，例如，可以将一些选择的植物如蓖齿眼子菜维持在约32°C至23°C。控制温度的一种方式是将小室沉入地面内，该处小室周围的土壤将缓和小室的温度。
[0023]在一些实施方案中，控制所述小室中的水温，以便不同水温区处在不同水深。具体地，可将水温分层为两层或多层(例如，3、4或5层)、通常为水平的温度层，如图1所示的温度层18和20。每层的温度可为大体一致的或可体现出梯度。
[0024]层之间的边界可维持为有或没有物理屏障。在一个实施方案中，层18、20之间至少约rc的温度差产生了无屏障的边界。使每个温度区域的水移动和温度起伏最小化可提供在不用物理屏障的情况下维持层之间的温度差的益处。然而，一些水流动或循环可用于稳定温度区域之间的边界。可选择地或另外，可使用物理屏障如布、网或植物能穿过其生长的其他材料，以稳定所述分层。在一些实施方案中，当区域之间的温度差超过约rc时，使用物理屏障。此外，物理屏障可降低传递至温度区域中的水的辐射能(例如，来自光源的)。在一些实施方案中，所述物理屏障在定植植物之前放置到位，以允许植物穿过所述屏障生长。
[0025]水温分层时，可调节温度区域的大小、位置和温度，以适合所用的水生植物。例如，如图1所示,层20从水12的表面(植物16的叶部分所驻留的地方)延伸至植物16的茎部分所驻留的深度处。层18从所述层边界至少延伸至所述基质表面，且可能进入基质14(植物16的下部茎和/或根所驻留的地方)。
[0026]上层20可具有的温度高达约37°C，更特别地高达约32°C，并且甚至更特别地高达约31°C (包括约2°C至约21°C、约2°C至约16°C、约4°C至约18°C、约4°C至约10°C、约10°C至约 13°C、约 16°C至约 20°C、约 17°C至约 19°C、约 17°C、约 18°C、约 18°C、约 19°C等)。下层18的水温可为约1_14°C，其低于上层20的温度；更特别地为约2-6°C，其低于上层20的温度。每层可在温度上大体一致，或其温度可随深度增加逐渐降低。
[0027]每层的温度均可用任何合适的手段控制。例如，在一些实施方案中，靠近水表面的水通过暴露于来自光源如太阳或人工光源的福射热而被加热。可选择地，使用热源如加热元件来加热靠近水表面的水，或者可在小室外加热水并引入至小室的表面附近。可控制较凉温度区的温度，通过例如，通过使用物理屏障或其他手段如染料(例如，蓝色染料)来限制暴露于辐射能量源(例如，光)、以受控的温度引入水等。
[0028]在一个实施方案中，所述小室10包含至少一个进水口，其各自位于一个层的深度处。所述进水口连接至将温度受控的水引入至所述层的水源。在如图1所示的小室10中，进水口 22位于下层18的深度内。所述进水口 22连通至水源24，并被配置为将水以低于上层20的温度递送至层18，且更具体地，以处在或接近下层18所需温度的温度递送。以这种方式，水层18的较凉温度得以维持，且水层18和20能在不用屏障的情况下存在。在另一个实施方案中，使用对应于各层的进水口来独立地控制水温。
[0029]除了温度层，层18、20或其他区域的其他水条件(例如，溶解的气体水平、营养素水平、水流等)也可以变化，以利于植物生长、碳水化合物生产，和/或乙醇生产。例如，处在或靠近植物16叶区的水条件可包括加入溶解的CO2以促进碳水化合物生产。在对应于植物16的茎或根区的水区域，CO2浓度可较低。在另一个实例中，可调节处在或靠近水生植物叶区的水的流速，以防止藻类沉积在叶上。
[0030]在另一个实例中，所述小室10的层或其他区域中的营养素含量可以不同。对应于茎区的区域的水的营养素 含量，可含有比对应于叶区域的水浓度更高的大量营养素和/或微量营养素。在一些实施方案中，相比其他区域的水，靠近基质表面的水可含有更高浓度的氮。可调节营养素浓度以将营养素提供给水生植物，并保持藻类的低生长。
[0031]所述基质14固定了植物12的根系统，且如以下所进一步讨论，其可包含植物副产物如乙醇释放至其中的区域。在一个实施方案中，所述基质包含颗粒物质，其作为主要的固定机制。然而，也可任选地使用根部可将自身结合和连接于其的机械固定装置如网格或筛网。水深与基质厚度的比例可为约2:1至约1:2。在一个实施方案中，所述水深可小于或等于基质厚度，例如，水深/基质厚度比例为约1:1或更小，更特别地为约1:1至约1:2。在又一个实施方案中，所述水深小于基质厚度，例如，水深/基质厚度比例小于1:1。
[0032]在一个实施方案中，基质14可使用由多孔矿物材料形成的粗颗粒。在其他实施方案中，基质14可包含两种或多种可形成为层的材料。每个基质层的特征可配置为适于所用的植物，包括化学组成(例如，营养素含量或pH)、物理组成(例如，粗度或密度)、生物组成(例如，细菌)等的变化。
[0033]在一些实施方案中，基质14的一层包含土壤组成，其可包含能够储存和释放硝酸盐至水中的腐殖质；基质14的另一层包含适于细菌如固氮菌定植的多孔材料。也可考虑其他特征，如基质材料允许水、热、气体和/或营养素透过的能力。另外或可选择地，所述基质可包含一层较大颗粒物质如豆沙砾，其可允许水流过所述基质。
[0034]图2为根据一个实施方案的基质14的横切面视图。基质14包含上层24的土壤或腐殖质，其从基质14的表面延伸至约15cm至约30cm (例如,约15至约25cm、约20cm至约30cm、约25cm至约30cm、约15cm、约18cm、约20cm、约25cm等)的深度处。上层24可提供营养素给植物根部，和/或可将营养素如硝酸盐过滤到基质14上方的水中。下层26为粗颗粒物质如豆沙砾，由于本文进一步讨论的原因，其适于允许水流过所述基质。如果基质下放置了加热元件，下层26还可促进热传导。下层26具有的深度可为约15cm至约30cm(例如，约 15 至约 25cm、约 20cm 至约 30cm、约 25cm 至约 30cm、约 15cm、约 18cm、约 20cm、约 25cm等）。
[0035]图3为根据另一个实施方案的基质14的横切面视图，其包含含有多孔矿质材料(例如，蒙脱土、煅烧赤铁矿)的附加层28。所述附加层28可为固氮的需氧和厌氧细菌提供附着位点。附加层28被阐示为基质14的最上层，且其具有的高度为约15cm至约30cm(例如，约 15 至约 25cm、约 20cm 至约 30cm、约 25cm 至约 30cm、约 15cm、约 18cm、约 20cm、约 25cm等)。在替代性实施方案中，层28可提供为层24和26之间的中间层。
[0036]在一些实施方案中，将营养素添加至所述基质以向植物和/或固氮菌提供大量营养素和/或微量营养素。可使用任何合适的方法添加营养素至基质，如通过例如，进水口 20添加粒状肥料或富含营养素的水。
[0037]水生植物12可以选自任意数量的水生植物，其很容易在水生环境中或水生环境上生存，如直接在水中或在永久饱和的土壤中生存。更一般地说，术语“水生植物”可以包括任何藻类、水生植物或半水生植物，其对一直沉没在水中或在泛滥阶段间歇性沉没具有高耐受性。而且，可以在单个小室内使用多于一类的水生植物。
[0038]更具体地，合适的植物包括那些在本文所描述的条件下分泌乙醇的植物。在一些实施方案中，所述水生植物16为非遗传修饰的植物。在其他实施方案中，所述水生植物16为遗传修饰的植物。遗传修饰的植物可包括，但不限于，引入含有赋予害虫抗性、杀虫剂或除草剂抗性，或者热耐受性、冷耐受性和/或高浓度植物副产物(例如，乙醇)耐受性的转基因。
[0039]合适的水生植物可包括，例如，藻类、沉水水草，诸如，但不局限于，蓖齿眼子菜(Stuckenia pectinata)(以前被称为龙须眼子菜(Potamogeton pectinatus),且通常称为西米水池草(Sago Pondweed))、鞘叶眼子菜(Stuckenia vaginata)、丝叶眼子菜(Stuckenia filiformis)、范草(Potamogeton crispus)、眼子菜(Potamogetondistintcus)、小节眼子菜(Potamogeton nodosus)、川蔓藻(Ruppia maitima)、穗状狐尾藻(Myr1phyllum spicatum)、黑藻(Hydrilla verticillata)、伊乐藻(Elodea densa)、杉叶藻(Hippuris vulgaris)、大皱边草(Aponogeton boivinianus)、硬叶浪草(Aponogetonrigidifolius)、长叶皱边浪草(Aponogeton 1ngiplumulosus)、牛顿草(Didiplisdiandra)、爪睡莫丝(Vesicularia dubyana)、小柳(Hygrophilia augustifolia)、珍珠金钱草(Micranthemum umbrosum)、大艾克草(Eichhornia azurea)、晰尾草(Saururuscernuus)、舌头椒草(Cryptocoryne lingua)、北极杉(Hydrotriche hottoniif1ra)、百叶草(Eustralis stellata)、红苦草(Vallisneria rubra)、柳叶水養衣(Hygrophilasalicifolia)、泰国水剑(Cyperus helferi)、咖啡椒草(Cryptocoryne petchii)、美洲苦草(Vallisneria americana)、托塔苦草(Vallisneria torta)、北极杉(Hydrotrichehottoniif1ra)、黑乐草(Crassula helmsii)、石龙尾(Limnophila sessilif1ra)、穿叶眼子菜(Potamogeton perfoliatus)、红松尾(Rotala wallichii)、贝克椒草(Cryptocorynebecketii)、中箦藻(Blyxa aubertii)和水罗兰(Hygrophila difformmis)、浮萍如，但不局限于，紫萍(Spirodela polyrrhiza)、无根萍(Wolffia globosa)、品萍(Lemna trisulca)、膨胀浮萍(Lemna gibba)、小浮萍(Lemna minor)、斑萍(Lemna punctata)、水浮莲，如，但不局限于大藻(Pistia strat1tes)、毛茛如，但不局限于毛茛属(Ranunculus)、水生瘈藜，如，但不局限于菱角(Trapanatans)和乌菱(Trapa bicornis)、睡莲，如青斑睡莲(Nymphaealotus)、睡莲科(Nymphaeaceae)和莲科(Nelumbonaceae)、水葫芦如，但不局限于凤眼莲(Eichhornia crassipes)、黑木厥(Bolbitis heudelotii)和鱼草(Cabomba)，以及海草如，但不局限于小竹叶(Heteranthera zosterifolia)、波喜荡草科(Posidoniaceae)、大叶藻科(Zosteraceae)、水瞥科(Hydrocharitaceae)和丝粉藻科(Cymodoceaceae)以及这些植物的杂交品种。此外，在各种实施方案的一个中，寄主藻类可以选自绿藻、红藻、褐藻、娃藻、海藻、淡水藻类、单细胞藻类、多细胞藻类、海草、耐寒藻株、耐热藻株、耐乙醇藻株及其组合。
[0040]更具体地，所述水生植物16为选自以下一科的物种(例如，天然存在的物种)、杂交种或杂种:眼子菜科(Potamogetonaceae)、金鱼藻科(Ceratophyllaceae)、小二仙草科(Haloragaceae)和川曼藻科(Ruppiaceae)。尤其合适的是蓖齿眼子菜物种及其杂交种或杂种(例如，蓖齿眼子菜X鞘叶眼子菜，以及丝叶眼子菜X蓖齿眼子菜)。这类水生植物可具有很大的巴斯德效应，其增加厌氧性CO2产生与需氧性CO2产生的比率。通常，这个比率约为1:3，但是水生植物如蓖齿眼子菜可将这个比率增加到2:1。
[0041]可按任何常规方式获得水生植物并将其放置于小室中，如从湖泊或水塘中采集植物，将其种植于大容器中或直接将其种植于小室10中。用于小室的水的类型基于植物类型变化，但是淡水、盐水和淡盐水都适合于各种实施方案。
[0042]图4所示为小室12的另一个实施方案，其还包含出水口 30，出水口 30于基质14的深度处或低于该基质处(如在空间34中)与小室10流体连通。出水口 30与水收集组件34流体连通，这在图5中还有进一步描述。由于水被用泵抽吸流过出水口 30，例如，额外的水可通过进水口如小室10的水线以上的开口被引入(例如，泵送)，或通过连通至水源24的进水口 22被泵送。
[0043]水收集组件34可用于从水中提取各种不同组分或副产物。在一个实施方案中，用乙醇提取组件从水中收集乙醇，关于图5，其得到了更详细的显示和讨论。本文所述的实验结果表明，乙醇可由植物释放至下层18和/或基质14。同样地，将出水口 30置于所述基质处，或置于低于所述基质处，而将水源置于高于所述基质处，可允许水被抽吸而流过乙醇(或其他副产物)最集中的基质区。如果小室12被配置为使进水口 22位于或低于基质14的深度处，且出水口 30位于或高于所述基质的深度处，可获得类似的结果。
[0044]图5所示为系统50，其在小室60和乙醇移除组件66之间包含有循环回路67。所述系统还包含任选的具有通风装置78和/或氧气移除装置76的循环回路90，以处理通过泵63去除的流经循环回路90的水。系统50包含任选的人工光源86，其单独或联合光屏障用作光调节系统62。具体地，人工光源86可在光照阶段提供光合作用诱导光和/或在黑暗阶段提供非光合作用诱导光。
[0045]乙醇移除组件66可包含能够从水提取和收集乙醇的多种系统和系统元件。在示例性的实施方案中，组件66包含一种或多种功能为将乙醇与水分开的蒸馏器84。蒸馏器84与一种或多种用于纯化蒸气的分子筛70，或用于捕获乙醇蒸汽的冷凝器(未显示)，和/或用于储存乙醇的容器74流体连通。如果需要，也能够使用全蒸发器(未显示)和/或气体剥离器。例如，在乙醇浓度相对低的点处，可将气体剥离器包含于系统中，而在乙醇浓度较高的点处，可将蒸馏器84包含于系统中。组件66允许连续移除乙醇，而不中断小室中进行的过程。乙醇移除组件可在系统的任何点或以任何合适包含，只要其适合将乙醇从系统的水中移除。在一些实施方案中，乙醇移除组件被包含于系统的多个点。
[0046]在又一个实施方案中，任何所阐示系统的乙醇移除组件都能够单独地或与任何在本文中公开的其他元件联合使用一种或多种乙醇吸收性收集系统。一般地说，乙醇吸收性收集系统利用薄膜或其他吸收技术把乙醇与水和其他外来物质分开。这样的薄膜的实例是“Siftek” 薄膜，由 Vaperma Gas Separat1n Solut1ns 制造。
[0047]可利用一个或多个泵63经封闭环路系统67将水从小室吸出并再引入至小室，以提供小室60和所述乙醇移除组件之间的流体连通。在这样的封闭环路系统中，出水口 80可位于或低于所述基质，且进水口 92可位于或高于所述基质。该配置允许水被抽吸而流过较大浓度的乙醇可能存在的所述基质。封闭环路系统67可包括至水的接入点，以允许上文讨论的所有添加剂被供给至水，而不让水过分暴露于大气中。
[0048]利用光合作用的光调节系统62被用于选择性地允许/阻止光合作用诱导光进入到小室内。讨论了多种关于方法100的光调节手段，任何这些手段均可构成所有或一部分的光调节系统62。例如，光调节系统62可以包含在小室60上的阻光覆盖物或屏障。可选择地或另外，光调节系统62包含容纳或包含小室60的结构。应理解，光调节系统62可以，但不需要，阻止所有光到达系统的植物。确切地说，光调节系统62可仅阻止一定波长或强度的、诱导系统中植 物进行光合作用的光。例如，光调节系统62可以是过滤器，其仅允许不诱导光合作用的波长通过。诱导光合作用的波长的实例包括约380nm至约710nm的波长。根据所使用的植物，诱导光合作用的波长范围可以更广或更窄，但是能够使用已知的方法来确定。在一个实施方案中，密封屏障65和光调节系统62构成了可以或不可分开的单个结构。
[0049]光调节系统62可以配置为在某些时间点如有氧代谢期间选择性允许光合作用诱导光，或允许其诱导有氧代谢，但在其他时间点如厌氧代谢期间阻碍光合作用诱导光，或抑制其诱导厌氧代谢。例如，光调节系统62是可移除的。在另一个实施例中，光调节系统62可以是电致变色的，以便能够通过施加电流来控制装置的不透明度或颜色。在一些实施方案中，光调节系统62可包含人工光源86，以提供光合作用诱导光和/或不诱导光合作用的光。可配置这样的人工光源86以发出适于所需条件的强度或光谱的光。例如，在厌氧代谢期间或为了诱导厌氧代谢，人工光源86可发射低强度的光或具有系统植物的光合作用诱导光范围外波长的光。同样地，在系统植物的有氧代谢期间或者为了诱导有氧代谢，人工光照可以诱导光合作用的强度或波长发射光。
[0050]很明显，附图中所阐示的和本文中所描述的小室和系统的各种元件能够以各种组合使用来实施方法100。另外，可以包含常规组件，以用于控制水流、移除颗粒、监控和/或维持水参数(例如pH)、监控乙醇浓度、监控和/或维持植物参数、切割、破坏或移除植物等。例如，示例性系统可包含诸如阀82、过滤器80、光传感器和/或测量仪(例如具光合作用活性的福射传感器)、pH计等的元件。
[0051]图6所示为根据本发明一个实施方案的用于形成和收集乙醇的方法100，其中将水生植物(以种子、块茎、植株等形式)引入至小室(方框110)。一旦所述水生植物定植于小室中，即抑制植物的光合作用,这导致植物释放乙醇至水(方框112)中。任选地，可通过再引入光合作用诱导光和/或氧气至小室来促进植物光合作用(方框114)，随后再一次抑制光合作用来重复该过程。按照需要，将水(或水中所含的副产物)移出所述小室(方框116)。
[0052]如果以种子或块茎种植，水生植物可能需要14天至12个月间的任何时间来在合适的生长条件下充分成熟并存活，以经受图6所示的处理步骤。对于蓖齿眼子菜，该植物可能需要5-8个月来具备生存力。
[0053]可以通过遮挡植物以隔离促进光合作用的光源而抑制光合作用。如以下实施例中进一步说明的，该黑暗阶段促进乙醇的释放，并且防止通过光合作用形成氧气。可以通过任何惯用的方法调节光照以在小室内创造黑暗条件。应当理解，应当阻挡的术语“光照”仅仅适用于那些光辐射或光波长的形式，其充当光合作用的催化剂，并且取决于每种植物使用的化学受体的类型。因此，本文所用术语“黑暗”，旨在意指实质上缺乏促进光合作用的光频。
[0054]可 以利用各种用于调节(例如选择性阻止/允许)光合作用诱导光到达水生植物的手段。这样的手段包括，例如，屏障、覆盖物、圆顶或其他封闭结构，其至少在厌氧过程中充当光屏障。当不再需要将水生植物维持在厌氧条件中时，这些上述的屏障、覆盖物等可为可以移走的。在一个实施方案中，通过人可见但有助于植物的“黑暗”条件的光照射小室，然而其。其他合适的调整手段包括散射光合作用诱导光的滤光器。可以使用人工光源保持黑暗条件和/或在不需要厌氧条件时选择性地允许光合作用。在一些实施方案中，从“光照”条件逐渐过渡至“黑暗”条件和/或相反是可取的，从而降低对植物的冲击风险。
[0055]任选地，结合黑暗阶段，通过将经使用有机、化学或机械手段严重消耗氧气的(即使得缺氧的)水引入至小室中可减少小室的氧气含量。这也可以通过从包含在小室内的水中移除氧气来实施。应当理解，术语“缺氧”不一定表明水中完全没有氧气，因为很少量的氧气可能溶解在水中。
[0056]可选择地或另外，可以向小室中加入减少氧气的添加剂如消耗氧气和糖类，同时产生二氧化碳的谷类、酵母、细菌(例如经遗传改造的细菌和/或能够发酵的细菌)，或酶，以消耗氧气水平。为了促进氧气水平的消耗，可以向减少氧气的添加剂所用的水中加入第二碳水化合物来源，例如玉米、糖蜜、小麦或其他糖类来源。第二碳水化合物来源可以与酵母一起加入，以引起足够强烈的反应从而从系统移除大量氧气。降低氧气的一个益处是可通过减少氧气的添加剂额外产生乙醇。
[0057]上述过程导致所述水生植物进行碳水化合物代谢并产生乙醇。可以通过引入化学催化剂和CO2进一步促进乙醇产生。合适的化学催化剂包括乙酸和2，4-二氯苯氧乙酸(通常称为2，4-D)。例如，可以从诸如电力设施和石油精炼厂等的废料来源获得C02。可进一步加入其他营养素和诸如钾盐、氮盐和磷盐的盐，以促进水生植物的生长。此外，根据所用水生植物的种类，还可以向小室中加入有机基质，包括但不限于，诸如蔗糖、葡萄糖和乙酸盐。
[0058]植物的光合作用可被抑制一天到几天。在蓖齿眼子菜的情况下，光合作用可被抑制1-14天，更具体地2-10天，且甚至更具体地3-7天。所需的时间取决于许多因素，如光扩散、营养素可利用度、小室尺寸、植物尺寸、植物品种和植物的碳含量。时间长度的确定主要基于将乙醇产出最大化,并同时允许植物通过再次引入光合作用恢复。当植物将其乙醇生产降低至超过有效参数时，可能无需将其保持在缺氧条件下。此外，必须监控小室的PH值以防止水变得太酸或太碱。这可以用钙缓冲性化合物如碳酸钙和氯化钙或通过引入0)2(到碱性水中)或排除CO2以提高pH(例如，通过剥离或光合作用驱动的消耗)来进行中和，但是最终将取决于小室中具体水生植物物种的耐受性。在一些实施方案中，小室内pH的下降(例如，下降约0.2pH单位)可引发乙醇形成。可以就在乙醇形成诱导之前提高pH，以防止PH下降超过植物的耐受性和/或小室内酸中毒。
[0059]在又一些实施方案中，可以通过用一种或多种密封屏障覆盖小室以调节气体(例如空气、氧气、CO2、氮气等)进出小室的运动而促进厌氧过程。例如，密封屏障可以防止不需要的氧气引入到小室。也可使用密封屏障(或额外的密封屏障)保持小室内的CO2，尤其是当加入了 CO2至小室中时。另外，也可以维持高N2水平，以进一步稀释水中或截留在密封物和小室之间的任何02。密封屏障密封小室以防止小室和邻近空气之间的流体连通。这将妨碍氧气进入小室，并且将促进厌氧过程。在一些实施方案中，所述密封屏障也可有助于维持水面上的湿度水平，以防止干出沉水的叶子。另外，可用水对叶子喷洒或喷雾以防止干燥。密封屏障可以是半透明屏障，以促进捕获来自天然地和/或人工地用于向水生植物提供光的光源的辐射热。密封屏障可以或不可以也构成阻光屏障，如上所述，其位于小室上以防止光在厌氧过程中进入小室。密封屏障和阻光屏障可以由常规材料制成。然而，应当理解，构置在小室周围的处所、罐、圆顶或其他结构，如果其以该能力使用，也可定义为密封屏障和阻光屏障。
[0060]在一个实施方案中，上述过程之前、之后或可替换为重启植物光合作用。通过在小室中给予含氧条件(其引发和/或促进需氧过程)，将水生植物暴露于光下以诱导光合作用并阻止厌氧过程。该光照阶段可以通过操控本文讨论的光调节手段和系统来完成。例如，可以移除光屏障、覆盖物或过滤器等，以便允许自然的或人工的光合作用诱导光到达水生植物。可选择地或另外，光屏障可以保持不动，并且调节人工光源以允许光合作用诱导光到达水生植物。
[0061]在光照阶段，可通过在所述小室中创造含氧条件来进一步启动需氧过程，其有助于水生植物产生和储存碳水化合物。可以通过各种方法创造所述含氧条件，这些方法可以独立地或组合起来使用。在一个实施方案中，将含氧水加入小室中，或将氧气直接引入容纳于小室内的水中。在另一个实施方案中，移走气体屏障以允许水中的氧气浓度自然地增加。从而，可以通过将含氧水引入小室中、通过移除缺氧水和/或允许水通过植物释放氧气和暴露于含氧气氛中自然充氧来实现充氧条件。
[0062]在需氧过程中，可以将营养素加入到小室中以向水生植物提供营养素。另外，可作为温度调节促进最大日光/人工光过滤，以促进水生植物的生长。可以通过加入人工光强化光照本身。
[0063]尽管可以针对植物的特定要求调整该时间框架，通常，光照阶段持续1/2天至15天，并且更通常至少3至10天，以允许水生植物再次形成碳水化合物。在此期间，水生植物通过代谢过程产生和保持碳水化合物。需氧过程的持续时间取决于多种因素，但是当碳水化合物生产开始减缓或达到预定的水平时，通常将结束。对于蓖齿眼子菜(Potamogetonpectinatus),根据小室内的环境条件,这可为2_14天,更具体地,3_10天。如本文所用，术语“天”是指24小时的时间段。
[0064]已具体发现，操控光照条件和黑暗条件可影响水生植物用以产生乙醇和糖类的方式。例如，可以使一些水生植物持续接受若干天的光照(定义为光照阶段)，然后持续限制光照若干天(定义为黑暗阶段)，以促进生产乙醇的过程。在一个实施方案中，使黑暗阶段定时为与厌氧条件的启动同时或在其前或其后不久发生，优选彼此相差在1-3天内。
[0065]当光照阶段结束时，在含氧阶段和缺氧阶段之间有个过渡期，其间的氧气量被消耗。在过渡期中，向小室中加入酵母可能是有利的，其将促进氧气减少并允许酵母产生乙醇。酵母所产生的乙醇可作为植物厌氧活性的催化剂，并提供额外的乙醇生产输出。与酵母一起加入的糖或其他碳水化合物可进一步促进厌氧活性。
[0066]通常，黑暗阶段与光照阶段的比率不超过1:2并且小到1:10，更普便的比例为1:2至1:7。应当理解，在光照和黑暗阶段，可以向水中加入CO2以促进糖类和乙醇的形成。最后，本文所述的控制上述光照和黑暗阶段的能力和比率并不适用于所有水生植物，因为某些植物可能在小于4小时的黑暗阶段之后就经历乙醇生产。对于这类水生植物，光照阶段与黑暗阶段的比率可以大于2:1，尽管对于乙醇生产，相比于诸如蓖齿眼子菜的植物所经历的，这样的水生植物可能具有不同的限制。
[0067]一旦接近最大碳水化合物形成，或其的预定水平，就将再次启动黑暗阶段，以开始碳水化合物代谢和乙醇形成过程。可以重复抑制和再次引入光合作用条件的步骤，以不断地促进乙醇生产和随后的碳水化合物生产。在一些实施方案中，可按模拟白天和黑夜条件的方式来定时或调节“光照”阶段和“黑暗”阶段。可取的是，在“黑暗”阶段开始时启动乙醇生产，以将此前“光照” 阶段储存的碳水化合物对乙醇转化的有效性最大化。
[0068]该过程产生了自我维持循环，因为植物生长补充了植物衰老所失去的植物物质和那些不再满足确立的乙醇生产耐受性的植物。可以去除不能用于补充目的或用于为另一个小室供给植物物质的其他植物生长，并且利用常规方法发酵，也产生乙醇。可以捕获发酵过程中释放的二氧化碳，并回收到小室中以促进碳水化合物生产。发酵过程之前或之后的植物废料均可以进一步作为供给物用于向小室补充营养素，和/或可以进行处理以用于生物化学工业应用，如用于乙醇和内燃机生物燃料、药物、化妆品、着色剂、油漆等。
[0069]在实施方法100的同时，可能产生细菌和藻华，其能够通过抗生素、硫酸氢盐、啤酒花、除藻剂、氯化作用、紫外线暴露和其他常用方法来控制。另外，为了降低碳水化合物的浓度和抑制细菌生长，可向小室中加入产生乙醇的酵母。可选择地，或与酵母组合，酶或细菌也可用于降低碳水化合物的浓度。加入酵母的有利效果是乙醇产量的增长。可能需要更换酵母，尤其是在缺氧条件已经建立并且维持超过大约3天之后，尽管这取决于使用的酵母菌株。也可以向系统中加入第二碳水化合物来源以致使酵母更强烈地反应。
[0070]上述过程可更宽泛地定义为包括:1)再补给阶段，其中水被充氧，和/或植物被暴露于光中，以形成碳水化合物，2)过渡阶段，其中小室被剥夺光合作用诱导光，和/或加入酵母以形成乙醇并消耗氧气，和3)发酵阶段，其中植物释放乙醇。可以将任选的第四阶段定义为第二过渡阶段，其中再次引入光合作用。可以按照本文的教导改进每个阶段以使植物生长和乙醇产量最大化。在一种方法中，再补给阶段可能发生0.5-12天，然后是0.5-6天的过渡阶段，其紧接着是至少6天的缺氧阶段，根据利用的植物种类缺氧阶段可增加至超过20天。在另种方法中，再补给阶段可发生3-10天，然后是2-6天的过渡阶段，紧接着是至少2天的黑暗阶段，根据利用的植物种类黑暗阶段可以增加至超过20天。在再补给阶段之后和缺氧阶段之前降低水的水平以减少水量，并在缺氧阶段进一步浓缩乙醇，这可能是有利的。
[0071]在光照阶段或黑暗阶段的任何时间，可将水从小室中移除，以便提取诸如乙醇的副产物。在一个实施方案中，可采用图4和图5中阐示的小室来实施，通过使水流过基质至与乙醇移除组件连通的出水口而移除水。如在实施例中进一步表明的，所述基质和/或水的下层区内含有相当量的乙醇。通过抽吸水而流过所述基质并进入所述出水口，可实现提高乙醇提取效率。在一个实施方案中，所述出水口位于或低于基质，且水被抽吸而流过所述基质并进入出口。水可以通过入口引入至所述系统中，包括通过在小室顶部加水。
[0072]如在实施例中进一步表明的，在某些条件下乙醇可转化为乙酸。因此，在乙酸转化开始前的黑暗阶段提取乙醇以降低总乙醇浓度，这可能是有利的。另外，或可选择地，可操控小室条件以限制水中醋Ife杆囷的存在。
实施例
[0073]实施例1
[0074]将带有块茎的两株蓖齿眼子菜植株移出储存生长容器，并单独地放置到具有35mL煮沸过的蒸懼水的测试管中。水中包含刃天青(Resazurin)指示剂以显示缺氧条件。将这些缺氧样品放置在箔包装(foil wraps)内，以通过阻止光合作用诱导光到达植物而产生黑暗条件，诱导光到达 织物将允许植物小室中的水再次充氧。然后将样品放置在有正压氮气气氛的室中，以防止小室外的样品水再次充氧。然后允许样品于约24°C在该室中孵育3天。在第四天的早晨，从每个样品中取出2mL的水样品，并在南达科他州立大学(South DakotaState University)通过高压液相色谱(HPLC)分析以检测乙醇的存在。每个样品的HPLC峰值表明乙醇存在。
[0075]实施例2
[0076]蓖齿眼子菜植物样品取自从南达科他湖采集的湖泊材料，并置于小瓶中，小瓶加入有仅用于覆盖植物的煮沸过的蒸馏水，以提供缺氧条件。将8个样品——D5-8、Dll和D14-16置于培养箱中密封的不锈钢罐中，以便向样品提供黑暗条件。将剩余的样品——Dl-4、D9-10和D12-D13置于具有气塞的洁净塑料夸脱(quart)容器中。将抗生素加入到样品D9-D16中，以防止细菌将乙醇转化成乙酸。将样品置于大约21°C的培养箱中，并允许孵育7天。从每个样品抽出水并在南达科他州立大学通过高压液相色谱(HPLC)分析，以确定乙醇和乙酸浓度。
[0077]在没有抗生素的黑暗条件下孵育的四个样品D5、D6、D7和D8包含的乙醇浓度分别为10.825g/L、6.817g/L、7.733g/L和10.595g/L。在有抗生素的黑暗条件下孵育的样品Dll和D14具有的乙醇浓度分别为6.573g / L和4.237g / L。此外，样品Dll不含乙酸，而样品D14含有浓度为2.192g / L的乙酸，表明样品14中抗生素的量不足以阻止细菌将乙醇转化为乙酸。在洁净容器中培育的样品不含可检测的乙醇，表明光合作用干扰植物样品生产乙醇。结果在表1中示出。[0078]表1
[0079]
【权利要求】
1.适于移除植物副产物的含水小室，包含: 水； 基质，其包含颗粒物质； 至少一种水生植物，其具有至少一个位于所述基质中的根部； 进水口，其适于递送水至所述小室中； 出水口，其适于从所述小室移除水；以及 乙醇提取组件，其与所述出水口流体连通； 其中至少一个所述进水口和所述出水口在所述小室中位于或低于所述基质，且其他所述进水口和所述出水口在所述小室中位于或高于所述基质，以便通过所述出口从所述小室移除的水经抽吸而流过所述基质。
2.根据权利要求1所述的含水小室，其中所述出水口位于或低于所述基质，且所述进水口位于或闻于所述基质。
3.根据权利要求1所述的含水小室，其中所述出水口位于低于所述基质的所述小室的壁或底板中。
4.根据权利要求1所述的含水小室，其中所述水包含具有第一温度的上层和含有第二温度的下层，其中所述第二温度低于所述第一温度。
5.根据权利要求4所述的含水小室，其中所述进水口位于所述下层内，并高于所述基质。
6.根据权利要求1所述的小室，其中水深与基质高度的比例为约1:1至1:2。
7.根据权利要求1所述的小室，其中所述至少一种水生植物选自眼子菜科(Potamogetonaceae)、金鱼藻科(Ceratophyllaceae)、小二仙草科(Haloragaceae)和川曼藻科(Ruppiaceae)之一。
8.根据权利要求1所述的小室，其中所述至少一种水生植物选自眼子菜科。
9.根据权利要求1所述的小室，其中所述至少一种水生植物为蓖齿眼子菜(Stuckeniapectinata)植物或其杂交种或杂种。
10.含水小室，包含: 水，其包含具有第一温度的上层和具有第二温度的下层，其中所述第二温度低于所述第一温度； 进水口，其位于所述下层内； 基质，其位于或低于所述较低温度层，且包含土壤层上层和包含至少一种颗粒物质的下层；以及 至少一种水生植物，其具有至少一个位于所述基质中的根部。
11.根据权利要求10所述的含水小室，其中所述颗粒物质包括沙砾。
12.根据权利要求10所述的含水小室，其中所述基质包含含有矿物质的第三层。
13.根据权利要求10所述的含水小室，其中所述进水口与具有低于所述第一温度的温度的水源流体连通。
14.根据权利要求10所述的含水小室，还包含光合作用光调节器，其经配置选择性抑制所述水生植物的光合作用。
15.根据权利要求10所述的含水小室，其中所述光合作用光调节器包含光合作用光屏障。
16.根据权利要求10所述的含水小室，其中所述至少一种水生植物为蓖齿眼子菜(Stuckenia pectinata)或其杂交种或杂种。
17.根据权利要求10所述的含水小室，其还包含所述小室中的位于或高于所述基质的出水口，以便通过所述出口从所述小室移除的水经抽吸而流过所述基质。
18.从含水小室中收集水的方法，所述小室包含水、颗粒基质和至少一种水生植物，所述水生植物具有至少一个位于所述基质中的根部，所述方法包括: 抽吸水使其流过所述基质进入与乙醇收集组件流体连通的出水口。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述出水口处于或低于所述基质，且所述抽吸步骤包括从处于或高于所述基质的部位向下抽吸水而进入所述出水口。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括在所述小室中形成上层和下层水层的步骤。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括将水引入至具有低于所述上层水温的温度的下层。
22.根据权利要求18所述的方法，还包括从抽吸至乙醇收集组件内的水中移除乙醇的步骤。
23.根据权利要求1 8所述的方法，其中水被抽吸至所述出水口，而所述小室的光合作用被抑制。
【文档编号】B01J19/24GK104039748SQ201280049655
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年9月20日 优先权日:2011年9月20日
【发明者】托尼·A·哈根 申请人:阿奎泰克生物能有限公司